CN103460025B - 用于确定混浊介质中的吸收系数的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种使用重叠的照明探测区域来确定浑浊介质的波长相关的吸收系数的方法，该方法包括以下步骤的：a）从使用参考样品的参考测量中得到校准光谱（Cλ）；b）对实际样品进行测量，以使用在样品（S介质）上测量到的原始光谱和所述校准光谱（Cλ）来确定绝对反射光谱（Rabs）；C）通过将所测得的绝对反射光谱（Rabs）和模型函数（Rabs 模型）之间的差最小化，使用所述绝对反射光谱（Rabs）来确定所述波长相关的吸收系数，其中，该模型函数（Rabs 模型）是基于下列组合的现有知识，使用预先确定的等式来建模的：有效光子路径长度（LPF）对散射相位函数（PF）的依赖性；不存在吸收（Rabs 0）时绝对反射比对散射相位函数（PF）的依赖性。本发明还涉及用于确定波长相关的混浊介质的吸收系数的系统。
Description
技术领域
本申请涉及一种用于确定混浊介质的吸收系数的方法。
本申请还涉及一种用于确定混浊介质的吸收系数的系统。
背景技术
对诸如活体组织之类的光学混浊介质中的不同吸收物质的浓度的非侵入式测量是具有挑战性的。对此，通常使用的方法是采用对来自这种光学混浊介质的反射光的测量。从混浊介质反射的光的主要部分已经穿过该介质，并且通过散射从该介质中导出。这种测量的主要问题是探测到的光子的光程长度强烈依赖于光学特性，例如吸收系数、约化散射系数以及散射角分布，也称为散射相位函数。因此，所探测到的光子的路径长度取决于测量的几何结构和光学特性，并且随波长变化。由于路径长度对所考虑的介质特性的依赖，基于混浊介质中的吸收光谱来对浓度所进行的绝对测量会被损害。
现有技术中已知的经典反射光谱学设备在测量期间经常利用多个光纤来传递和收集光。然而，具有用于传递和收集光的单个光纤的反射探头的潜在优点是很多的。单个光纤设计的优点包括较小的探头尺寸和简单的设备设计，使其比起多光纤探头更适合于临床应用，例如，经由内窥镜或活检针来对潜在恶性肿瘤的光学活检。然而，在与重叠的源-探测器区域相关的体制中，不存在对光传输的经验性或分析性说明，例如在使用单个光纤时。
使用重叠的照明检测区域来确定混浊介质中的吸收系数的反射光谱系统的实施例可从Kanick et al.Phys.Biol.54,6991-7008(2009)中获知。在已知的实施例中，公开了一种方法，其中，单个光纤被使用并且被设置在所研究的组织的表面处。该光纤用于照亮该组织，并且用于收集反射光。
已知方法的缺点是，光子的有效路径长度对散射相位函数的依赖以及约化散射系数(reduced scattering coefficient)都是猜测的，这可能导致对吸收系数的确定不准确。
发明内容
本发明的目的就是当使用重叠照明和检测区域时在不知道约化散射系数和散射相位函数的情况下，提供一种用于确定混浊介质的吸收系数的方法。
为此，根据本发明的方法包括以下步骤：
-从使用参考样品的参考测量中得到校准光谱(Cλ)；
-对实际样品进行测量，以使用样品(S介质)上测量的原始光谱和所述校准光谱(Cλ)来确定绝对反射光谱(Rabs)；
-通过所测得的绝对反射光谱(Rabs)和模型函数(Rabs 模型)之间的差最小化，使用所述绝对反射光谱(Rabs)来确定依赖于波长的吸收系数，其中，所述模型函数(Rabs 模型)是基于下列组合的现有知识，使用预先确定的等式来建模的：
ⅰ.有效光子路径长度(LPF)对假定的散射相位函数(PF)的依赖性；
ⅱ.不存在吸收(Rabs 0)时绝对反射比对假定的散射相位函数(PF)的依赖性。
应所述理解的是，多个不同的本身已知的实施例可用于提供这种重叠的照明检测几何结构。在优选实施例中，使用单个光纤，例如使用尺寸在10μm至3mm之间的单个光纤。
根据本发明，在缺乏吸收时对反射比进行的校准评估用于适当地估算约化散射系数和散射相位函数对有效光子的路径长度的组合效应。由此，吸收系数的估算大体上得以改善。
在活组织的测量上应用该方法提供了可用于组织健康状态表征的血管生理学的诸多方面。例如，可以确定血容积分数、平均血管直径和血红蛋白氧饱和度，以及确定其他光吸收物质的浓度，包括胆红素、β-胡萝卜素、黑色素、葡萄糖、脂肪和水。另外，该方法可用于测量组织中外源性物质的浓度，例如药 物、光学对比剂、染料、污染物，只要它们在使用的波长区域中具有适当的吸收特性。
本发明基于下面的理解。白光反射比测量提供了关于光采样混浊介质(例如，组织)的吸收和散射特性的信息。具体地说，吸收系数μa涉及组织生理学的各方面。据发现，由于μa、约化散射系数μs’以及散射相位函数PF对有效光子路径长度LSF的各种影响，从反射光谱的μa的定量估算需要进行数学校正。这个关系的数学表示的示例可以由等式(1)给出:
其中
CPF描述了LSF对PF的依赖性；
d光纤是用于测量的光纤的直径。
可以理解的是，值1.54、0.18和0.64分别对应于根据经验建立的常数p1、p2、p3。这些系数是针对如Phys.Biol.54,6991-7008(2009)中所报道的单个光纤实施例而建立的，并且对于不同条件和/或实施例，这些系数可以具有不同的值。
在现有技术已知的方法中，用于分析体内组织中测得的光谱的等式(1)的实际应用，需要关于组织PF的假设以估算CPF，以及需要关于至少在一个波长上的μs’的值的假设。人们发现这种方法是不精确的。
还发现，不存在吸收Rabs 0时，单根光纤反射强度在无量纲散射上显示了特定于PF的依赖性，定义为μs’和光纤直径d光纤的积。然而，应当理解，这个发现可以推广到任何重叠照明-检测的几何结构中。Rabs 0和无量纲散射之间的关系的用数学表示的例子由等式(2)给出:
其中
ηc是渐近值，即单个光纤收集效率的扩散界限，其与光纤的NA成正比，并且对于NA＝0.22的单根光纤，大约为2.7％。P4、P5、P6是特定于PF的参数。据发现，对于单根光纤的实施例来说，等式(2)中，P5通常介于4.3-9.2的范围内；P6通常介于0.81-1.14的范围内并且P4通常介于1.07-2.16的范围内。应当理解，尽管在等式(1)和(2)中没有明确地规定，CPF、μs、Rabs都是取决于散射相位函数(PF)的变量。因此，有效光子路径长度(LPF)和不存在吸收(Rabs 0)时的绝对反射比取决于散射相位函数(PF)。根据本发明的一个方面，模型函数(Rabs 模型)特别是使用LPF和Rabs 0对散射相位函数(PF)的依赖性的现有知识来进行建模的。
相应地，根据本发明的观点，首先进行参考校准的测量。可以选择具有高约化散射系数的样品(使得μs’d光纤>10)，因为对于非常高的约化散射系数来说，所收集的反射比变得与校准样品的(通常未知的)相位函数无关并且接近于扩散界限ηc。或者，如果校准样品的相位函数是已知的，可以使用具有较小约化散射系数的样品。利用光纤与校准样品的接触可以进行所述测量。然而，可以使用其他校准几何结构。在使用高散射参考样品的情况下，可以根据以下校准测量计算绝对的设备校准光谱:
其中
C(λ)代表使用校准样品的测量设备的校准光谱；
S参考(λ)代表在校准样品上测得的原始的、未处理的光谱，
ηc(NA(λ))代表散射样品的最大反射。进一步发现，如果校准样品的约化散射系数是依赖于波长的，ηc(NA(λ))可能略微取决于波长。
当处理校准测量的结果时，它们还以下列方式被用于本发明的方法中。
被研究的样品(组织)的绝对反射光谱，可利用如下校准数据获得:
Rabs(λ)＝C(λ)S介质(λ) (4)
其中
Rabs(λ)代表介质的绝对反射；
S介质(λ)代表实际样品(组织)的原始的、未处理的光谱。
在根据本发明的下一个步骤中，从所测得的光谱Rabs(λ)提取光学特性。应当理解，在分析这些光谱时的普遍的问题是，必须计算每个测量点的三个未知参数(约化散射系数μs’、散射相位函数PF和吸收系数μa)。因此，该等式不会聚成一个单独的解决方案。
根据本发明，通过将所测得的绝对反射光谱Rabs(λ)和模型函数Rabs 模型(λ)之间的差最小化，从所测得的反射比Rabs(λ)计算依赖于波长的吸收系数μa(λ)，其中，模型函数Rabs 模型(λ)是基于下列组合的现有知识，使用预先确定的等式来建模的：有效光子路径长度LSF模型(λ)对相位函数PF(例如，等式1)的依赖性和缺乏吸收时的绝对反射比对相位函数PF(例如，等式2)的依赖性。根据模型函数Rabs 模型(λ)＝Rabs 0(λ)e(-μa (λ)L SF模型 (λ))，可以使用朗伯-比耳公式对Rabs 模型(λ)进行建模。
相应地，根据本发明，等式(2)中，μs’是从Rabs 0估计的，使得等式(1)中的μs’的潜在的错误估算的影响通过CPF的相应的错误估算来补偿。这样，有效路径长度接近于其真实值(对于生物组织来说在7.5％内)，即使在CPF和μs’被不正确地指定时。优选地，CPF、P4、P5和P6的值被分别选择为0.944，1.55、682、和0.969；对参数的这种选择可最小化估算的路径长度LSF模型(λ)中的误差。
然而，应当理解，CPF、P4、P5和P6其他组合的值也会出现补偿性影响。此外，也可以使用不同于等式(1)和(2)中所示的数学表达式来描述相位函数在光子路径长度LSF模型(λ)上和在绝对反射比Rabs 0(λ)上的组合效果。此外，也可以使用将Rabs 0(λ)直接地链接到组合的CPF-μs’集合的查找表。在等式中的核心参数的错误估算方面的所述补偿性影响被发现是惊人的，使得能够解具有三个未知数单个方程。该补偿性影响的更多细节将参照图2给出。
在根据本发明的所述方法的实施例中，所述方法还包括这样的步骤，即采用单个光纤，以将光束朝向所述样品传递以及从样品中收集经反射的光束。
据发现，这种解决方案可以实际用于临床目的，因为入射和反射光束均可以通过同一光纤传送，从而允许较小的光纤-探头轮廓并且便于通过细针(例如，细针抽吸针)进行测量。
在根据本发明的所述方法的另一实施例中，用于校准和样品测量的光是由多个单色源产生的。然而，应当理解的是，也可以使用具有波长的连续光谱的源。
根据本发明，用于针对光束来确定扩散介质的波长相关的吸收系数的系统包括:
-适于产生光束的光源；
-处理器，其适于:
a.从使用参考样品的参考测量中得到校准光谱(Cλ)；
b.得到对实际样品进行进一步测量的结果，以使用在样品上(S介质)测量到的原始光谱和所述校准光谱(Cλ)来确定绝对反射光谱(Rabs)；
c.通过将所测得的绝对反射光谱(Rabs)和模型函数(Rabs 模型)之间的差最小化，使用所述绝对反射光谱(Rabs)来确定所述波长相关的吸收系数，
其中，所述模型函数(Rabs 模型)是基于下列组合的现有知识，使用预先确定的等式来建模的：
i.有效光子路径长度(LPF)对散射相位函数(PF)的依赖性；
ii.不存在吸收(Rabs 0)时绝对反射比对散射相位函数(PF)的依赖性。
有利地，根据本发明的系统的优选实施例在从属权利要求中。
根据本发明的所述计算机程序包括引起处理器执行下面步骤的指令：
a.从使用参考样品的参考测量中得到校准光谱(Cλ)；
b.得到对实际样品进行测量的数据，以使用在样品(S介质)上测量到的原始光谱和所述校准光谱(Cλ)来确定绝对反射光谱(Rabs)；
c.通过将所测得的绝对反射光谱(Rabs)和模型函数(Rabs 模型)之间的差最小化，使用所述绝对反射光谱(Rabs)来确定所述波长相关的吸收系数，其中
d.所述模型函数(Rabs 模型)是基于下列组合的现有知识，使用预先确定的等式来建模的：
i.有效光子路径长度(LPF)对散射相位函数(PF)的依赖性；
ii.不存在吸收(Rabs 0)时绝对反射比对散射相位函数(PF)的依赖性。
将参考附图更详细讨论本发明的这些方面和其它方面，其中类似的附图标记指代相同的元件。应当理解的是，提供附图仅出于说明性目的，而不是用于限制所附权利要求的范围。
附图的简要说明
图1以示意性的方式呈现了系统的实施例，该系统可用于进行校准测量。
图2呈现了一些特性曲线。
具体实施方式
图1以示意性的方式示出了系统的实施例，该系统可用于对样品8进行校准测量。为此，系统10包括探头2、分叉光缆4，其中，分叉光缆4的一端被连接到光源6，而另一端被连接到适当的光谱仪12。相应地，光纤2用于将光束从光源6传送到样品，并且用于从样品8收集反射光。
进一步发现，相对于垂直线，在比arcsin(NA/n样本)更大的角处将探头2磨光以最小化镜面反射是有利的，其中，NA是光纤的数值孔径，n介质是样品的折射率。
在高散射的情况下，样品的反射比由R样本＝ηc(NA(λ))给定。
在要确定浑浊介质(组织)的吸收系数时，等式1根据Rabs＝Rabs 0exp(-μaLSF模型)不得不用在朗伯—比尔等式中。一般地，等式1可以写为：
正如前述指出的那样，在等式(5)中，组织的PF和μs’未知，这意味着， CPF未知，且来自反射比Rabs 0的μs’的规格也需要知道PF以用于指定等式2中正确的常数P4、P5和P6。
根据本申请，μs’是从反射比Rabs 0估计的，使得μs’的潜在错误估计由相应的CPF的错误估计来补偿。
发现CPF/(μs’)p2的比率约等于其真实值(对于生物组织而言，在7.5％内)，假如CPF恰当地链接到用于从Rabs 0估计μs’的相位函数(即，CPF被链接到等式2中P4、P5和P6的值)。
发现：随高角散射事件变得更为有可能，Rabs 0增加，因为入射光子更容易被收集，并且由于所收集的光子有可能行进较短的路径，光子路径长度LSF减小。
在图2中，示出了多个特性曲线，其中发现CPF＝0.944、P4＝1.55、P5＝6.82和P6＝0.969的曲线是实践本发明的最佳曲线。图2示出了针对具有带不同反向散射分量的不同已知相位函数PF的已知样品的3个示例性实施例Rabs 0和μs’d 光纤之间的关系。这些相位函数PF的CPF值和P4、P5和P6的值也被用于这些选定的PF的每一个。图2中的曲线图是参照前述所讨论的等式2来计算的。
对于诸如组织之类的未知样品，利用等式(1)和(2)来计算的光子路径长度LSF需要假定相位函数PF，相位函数PF也是未知的。
发现特别适合假定：相位函数PF是由CPF＝0.944、P4＝1.55、P5＝6.82和P6＝0.969(见图2中的实线曲线1)来表示的。然而，也可以使用图2中给出的其他曲线，或使用等式2或使用应用到已知样品的蒙特卡洛模拟产生的其他可选曲线，来实现该等式。但是，据发现，选择其反射特性接近于从研究中的样品(例如，组织)预计的反射特性的曲线是有利的。
参照前述关于与图2中的曲线编号1相应的等式(2)中的假定相位函数PF所讨论的，利用P4、P5和P6，基于所测量的反射比Rabs 0(真实)对未知样品将产生估计值μs’(Est)。
在分析等式(1)，(2)和图2给出的曲线时发现以下效应。如果未知样品的真实样品相位函数PF是由比假定的PF更高的反向散射分量来表示的(例如， 对应于图2中的真实曲线2参数的真实组合是CPF＝0.86,P4＝1.24,P5＝4.47和P6＝0.82)，那么由于μs’(Est)>μs’(真实)，见图2中相应地标记，μs’会从Rabs 0(真实)过高估计。
然而，对应于假定样品曲线1的最初假定CPF(0.944)大于对应于“真实”样品曲线2的“真实”CPF(0.86)。相应地，CPF的过高估计补偿了在等式(1)中LSF上μs’过高估计的影响。
接下来，如果真实相位函数PF实际上具有与针对相位函数PF所假设的值相比更小的反向散射分量(例如，真实样品PF对应于图2中的曲线3，而不是所假定的曲线2)，那么通过使用图2的假定Rabs 0的曲线2所得到的μs’(Est)将被低估。相应地，对于该情形，发生补偿效应——即在等式(1)中过低估计CPF，因为在此情形中，所假定的CPF(0.944)小于“真实”CPF(1.0)。
优选地，对于假定的散射相位函数PF假定，使用位于γ＝1.6和γ＝1.8之间的伽玛值，其中，根据γ＝(1-g2)/(1-g1)，伽玛与散射相位函数的第一和第二矩量(分别为g1和g2)相关。
通过假定经估计的相位函数PF，CPF和μs’的错误估计的相互关联、补偿的效果可以通过评估CPF est/CPF 真实和(μs’(Est)/μs’(真实))0.18的比率进行进一步的分析。
据发现，这两个度量或者均小于单位1或者两者都大于单位1，指示LSF估计上的补偿效果。此外，这些效果的量级也非常类似：在生物组织中从0.9到1.12范围内变动，而(μs’(Est)/μs’(真实))0.18从0.85到1.25的范围变动，假如使用等式(2)由Rabs 0来计算μs’(Est)。
图2的插图(I)示出了这两个度量(被定义为补偿因子)的比率的直方图。应当理解，CPF和μs’的错误估计的效果对路径长度的完美补偿将产生1.0的补偿系数。直方图清楚地示出了以1.0为中心的窄分布，76％的数据位于该值的5％内，99％的数据在该值的10％内。
尽管以上已经描述了本发明的具体实施例，但应该认识到，本发明可以以与上述不同的方式来实现。例如，对于具体的浑浊介质在等式中可使用不同的 常数。然而，在实践本发明时，这种用于确定适当的常数的方法属于本领域技术人员的常规技术范围之内。
Claims (18)
1.一种使用重叠的照明检测区域来确定混浊介质的波长相关的吸收系数(μa)的方法，所述方法包括以下步骤:
a.从使用参考样品的参考测量中得到校准光谱(Cλ)；
b.对实际样品进行测量，以使用在样品(S介质)上测量到的原始光谱和所述校准光谱(Cλ)来确定绝对反射光谱(Rabs)；
c.通过将所测得的绝对反射光谱(Rabs)和模型函数(Rabs 模型)之间的差最小化，使用所述绝对反射光谱(Rabs)来确定所述波长相关的吸收系数，其中
d.所述模型函数(Rabs 模型)是基于下列组合的现有知识，使用预先确定的等式来建模的：
i.有效光子路径长度(LSF)对假定的散射相位函数(PF)的依赖性；
ii.不存在吸收时绝对反射比(Rabs 0)对所述假定的散射相位函数(PF)的依赖性。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述模型函数由朗伯—比尔等式所描述：
Rabs 模型＝Rabs 0·exp(-μa·LSF 模型)，
其中，Rabs 模型是模型函数，μa是依赖于波长的吸收系数，Rabs 0是不存在吸收(μa＝0)时绝对反射比，LSF 模型是有效光子路径长度。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，Rabs 0和LSF 模型均为经估计的约化散射系数(μs’)的函数，其中，所述约化散射系数(μs’)的错误估计对Rabs 0值的影响至少部分地通过所述约化散射系数(μs’)的错误估计对LSF 模型值的影响来进行补偿。
4.根据权利要求2所述的方法，其中
其中，d光纤是是用于测量的光纤的直径，μs’是经估计的约化散射系数，CPF描述了LSF对假定的散射相位函数(PF)的依赖性，P1,P2,P3是根据经验建立的常数。
5.根据权利要求4所述的方法，其中
其中，ηc是单个光纤收集效率的扩散界限下的渐近值；
P4,P5,P6是假定的散射相位函数(PF)特定参数。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法进一步包括以下步骤：使用单个光纤，以将光束朝向所述样品传递并且从所述样品收集经反射的光束。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，用于照明的光点与经反射的光束的光点重叠。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，用于测量的光是由多个单色光源产生的。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，用于测量的光包括波长的连续光谱。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述混浊介质是组织。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，对于得到校准光谱，使用散射参考样品，所述散射参考样品具有使得μs’d光纤>10的约化散射系数μs’和光纤直径d光纤。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，对于得到校准光谱，使用已知散射相位函数和约化散射系数的参考样品。
13.一种使用重叠的照明检测区域来确定混浊介质的波长相关的吸收系数的系统，所述系统包括:
光源，其适于产生光束；
用于从使用参考样品的参考测量中得到校准光谱(Cλ)的模块；
用于得到对实际样品进行测量的数据，以使用在样品(S介质)上测量到的原始光谱和所述校准光谱(Cλ)来确定绝对反射光谱(Rabs)的模块；
用于通过将所测得的绝对反射光谱(Rabs)和模型函数(Rabs 模型)之间的差最小化，使用所述绝对反射光谱(Rabs)来确定所述波长相关的吸收系数的模块，
其中，所述模型函数(Rabs 模型)是基于下列组合的现有知识，使用预先确定的等式来建模的：
i.有效光子路径长度(LSF)对假定的散射相位函数(PF)的依赖性；
ii.不存在吸收时绝对反射比(Rabs 0)对所述假定的散射相位函数(PF)的依赖性。
14.根据权利要求13所述的系统，所述系统还包括：光谱仪，其基于测量数据来进行光谱分析。
15.根据权利要求要求13所述的系统，其中所述光源包括多个单色光源。
16.根据权利要求13所述的系统，所述系统还包括：单个光纤，其用于将光朝向所述样品传递并且从所述样品收集经反射的光。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述光纤被设置在介入式仪器中。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述介入式仪器是活检针。
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| CN106092847B (zh) * | 2016-08-25 | 2019-05-03 | 青岛啤酒股份有限公司 | 一种评价白啤酒保质期内浑浊稳定性的方法 |
| CN110196239B (zh) * | 2019-06-12 | 2020-09-29 | 中国科学院南京地理与湖泊研究所 | 浑浊水体浮游植物吸收系数光谱遥感反演方法 |
| KR20220124468A (ko) | 2021-03-03 | 2022-09-14 | 삼성전자주식회사 | 대상 성분 추정 장치 및 방법 |
| CN113466138B (zh) * | 2021-06-23 | 2022-10-18 | 武汉船舶通信研究所（中国船舶重工集团公司第七二二研究所） | 一种交换等臂对比式水体光学衰减系数测量装置及方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN87108244A (zh) * | 1986-12-01 | 1988-07-13 | 通用医疗技术中心 | 一种用于测量物质浓度特别是测量血液中萄葡糖浓度的方法和装置 |
| CN1170344A (zh) * | 1994-12-02 | 1998-01-14 | 无创伤诊断技术公司 | 用于生物组织检测的光学系统和方法 |
| US6014204A (en) * | 1998-01-23 | 2000-01-11 | Providence Health System | Multiple diameter fiber optic device and process of using the same |
| CN1380821A (zh) * | 2000-03-31 | 2002-11-20 | 皇家菲利浦电子有限公司 | 用于探测在混浊介质中异常区域的方法和设备 |
Family Cites Families (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6850656B1 (en) * | 1998-10-07 | 2005-02-01 | Ecole Polytechnique Federale De Lausanne | Method and apparatus for measuring locally and superficially the scattering and absorption properties of turbid media |
| US6697652B2 (en) * | 2001-01-19 | 2004-02-24 | Massachusetts Institute Of Technology | Fluorescence, reflectance and light scattering spectroscopy for measuring tissue |
| JP2006521869A (ja) * | 2003-04-01 | 2006-09-28 | グルコン インク | 光音響分析評価方法と装置 |
| US7266401B2 (en) * | 2003-08-22 | 2007-09-04 | C8 Medisensors Inc. | Measuring analytes from an electromagnetic spectrum using a wavelength router |
| WO2005029051A1 (en) * | 2003-09-23 | 2005-03-31 | Stichting Voor De Technische Wetenschappen | Method and device for backscatter spectroscopy |
| CA2595213C (en) * | 2005-01-21 | 2014-10-28 | Perceptronix Medical Inc. | Method and apparatus for measuring cancerous changes from reflectance spectral measurements obtained during endoscopic imaging |
| CA2597234A1 (en) * | 2005-02-09 | 2006-08-17 | Inlight Solutions, Inc. | Methods and apparatuses for noninvasive determinations of analytes |
| WO2006116569A2 (en) * | 2005-04-25 | 2006-11-02 | University Of Massachusetts | Systems and methods for correcting optical reflectance measurements |
| US8406861B2 (en) * | 2007-03-28 | 2013-03-26 | Trustees Of Boston University | Detecting optical properties of a turbid medium |
| US7420656B1 (en) * | 2007-08-20 | 2008-09-02 | Sandia Corporation | Scannerless loss modulated flash color range imaging |
| WO2009064746A2 (en) * | 2007-11-12 | 2009-05-22 | Cornell University | Multi-path, multi-magnification, non-confocal fluorescence emission endoscopy apparatus and methods |
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN87108244A (zh) * | 1986-12-01 | 1988-07-13 | 通用医疗技术中心 | 一种用于测量物质浓度特别是测量血液中萄葡糖浓度的方法和装置 |
| CN1170344A (zh) * | 1994-12-02 | 1998-01-14 | 无创伤诊断技术公司 | 用于生物组织检测的光学系统和方法 |
| US6014204A (en) * | 1998-01-23 | 2000-01-11 | Providence Health System | Multiple diameter fiber optic device and process of using the same |
| CN1380821A (zh) * | 2000-03-31 | 2002-11-20 | 皇家菲利浦电子有限公司 | 用于探测在混浊介质中异常区域的方法和设备 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| Empirical model of the photon path length for a single fiber reflectance spectroscopy device;Kanick S C et al.;《Optics express optical society of America USA》;20091231;第17卷(第2期);第863-865页及图1-2 * |
| Monte carlo analysis of single fiber reflectance spectroscopy:photon path length and sampling depth;S C Kanick et al.;《Physics in medicine and biology》;20091104;第54卷;第6994页及附图1和附图4 * |
| 用蒙特卡罗法研究高散射介质中的成像;王建岗等;《中国激光》;20010228;第28卷(第2期);第169-172页 * |
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